Nghiên cứu khả năng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thu ánh sáng

t mạch máu tác dụng lên động mạch. Trước tiên ta tìm hiểu về cơ chế sinh lý của tim. Khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể. Trước tiên, tim giãn ra dồn máu vào (thời điểm T1 trên hình 2), lúc này áp suất của máu trong động mạch là nhỏ nhất-huyết áp tâm trương (Diastolic Presure- 5 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang DP). Tiếp theo, tim co bóp dồn máu đi, đây là thời điểm áp suất tác dụng lên thành mạch lớn nhất (thời điểm T2 trên hình 2). Giá trị huyết áp này được gọi là huyết áp tâm thu (Systolic Presure-SP). Hai giá trị này rất quan trọng trong công tác chẩn đoán bệnh, nhất là các bệnh về tim mạch. Khi đo huyết áp, chủ yếu người ta đo hai giá trị này. Một thông số nữa cùng thông số huyết áp giúp các bác sỹ chuẩn đoán tình hình sức khoẻ của bệnh nhân đó là thông số nhịp tim. Nhịp tim được xác định là số lần đập của tim trong một phút. Thông thường khi xác định huyết áp, người ta xác định kèm theo thông số nhịp tim. Công việc này thực hiện đơn giản bằng cách đếm nhịp tim và lấy trung bình số lần tim đập trong một phút. 1.1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric Thông thường nhịp tim được đo cùng với huyết áp do đó phương pháp đo nhịp tim thường gắn liền với phương pháp đo huyết áp. Cách đo huyết áp - nhịp tim theo như sau: Phương pháp Ocillometric: Quá trình đo được thực hiện theo trình tự: người ta dùng một bao khí có gắn sensor đo áp suất, quấn quanh bắp tay của người cần đo (nơi có động mạch chạy qua). Vị trí, tư thế của người cần đo huyết áp cũng phải đúng, cụ thể là bắp tay nơi quấn bao khí phải đặt ngang tim. Trước tiên bao khí được bơm căng lên để áp suất trong bao cao hơn huyết áp cao nhất (thông thường bơm lên cỡ 180 mmHg là đủ, đặc biệt những người già có thể phải bơm lên cỡ 200 mmHg). Lúc này động mạch bị bao khí chẹn lại, máu không chảy được trong động mạch ở chỗ bị quấn bao khí (như mô tả trên hình 1). Tiếp theo người ta xả từ từ khí trong bao ra. Khi áp suất trong bao lớn hơn huyết áp cao nhất thì máu không thể lưu thông trong động mạch. Chỉ khi áp suất trong bao cân bằng với áp suất của máu trong động mạch thì trong động mạch máu mới được lưu thông và lúc này áp suất ở trong bao khí mới bắt đầu thay đổi theo nhịp đập của tim,do đó tín hiệu điện mà sensor áp suất đưa ra cũng thay đổi đồng bộ với nhịp tim.Chu kỳ thay đổi của tín hiệu điện này đúng bằng chu kỳ nhịp tim. Do đó với phương pháp này có thể đo nhịp tim bằng cách đếm số chu kỳ này trong một khoảng thời gian nhất định sau đó chia số đếm được cho khoảng thời gian đếm.Phương pháp đơn giản tuy nhiên độ chính xác sẽ không cao nếu đếm trong thời gian không đủ lớn. 6 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 1.1.3 Tổng quan hệ đo 1.1.3.1 Hệ thống đo các thông số bệnh nhân đã được xây dựng Motor b¬m khÝ Vi ®iÒu khiÓn Modem Antena BiÕn ®æi t−¬ng tù - C¶m biÕn Bao khÝ TÝn hiÖu huyÕt ¸ p sè Hình 3 Sơ đồ khối module đo từ xa M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y Hình 4 Cấu trúc tổng quan hệ đo huyết áp và nhịp tim từ xa Khi cần đo các thông số huyết áp, nhịp tim của một bệnh nhân nào đó, nhân viên y tế thông qua máy tính trung tâm sẽ gửi lệnh tới module đo của bệnh nhân tương ứng. Module đo sẽ tự động thu thập các thông tin cần thiết và gửi về máy tính trung tâm qua các module thu phát không dây. Với hệ thống này, bác sỹ không những không cần phải đến tận giường bệnh nhân mà còn có thể kiểm tra, thu thập số liệu về huyết áp, nhịp tim của một số lượng bệnh nhân trong một thời gian ngắn. Hình 2 chỉ ra sơ đồ khối mô tả cấu trúc của một module thực hiện việc đo huyết áp, nhịp tim từ xa. Khi nhận được tín hiệu yêu cầu đo huyết áp, nhịp tim từ trung 7 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang tâm, module đo sẽ thực hiện một lần đo. Tín hiệu huyết áp từ động mạch thông qua bao khí được truyền tới vi cảm biến áp suất, vi cảm biến áp suất sẽ biến đổi thành dạng tín hiệu điện rồi đưa tới bộ biến đổi tương tự số. Bộ biến đổi tương tự-số sẽ biến đổi tín hiệu điện thu được từ cảm biến thành tín hiệu số rồi chuyển cho vi điều khiển xử lý. Vi điều khiển xử lý tín hiệu thu được, xác định huyết áp cao nhất, thấp nhất,nhịp tim rồi gửi kết quả về cho máy tính trung tâm. Hệ thống hoạt động như sau: Các module đo có thể hoạt động ở một trong hai chế độ: tự động hoàn toàn hoặc bán tự động. Với những bệnh nhân vẫn còn đủ sức khoẻ và tỉnh táo thì có thể thiết lập cho module đo hoạt động ở chế độ bán tự động, tức là việc đo huyết áp, nhịp tim được thực hiện với sự phối hợp của người bệnh. Với trường hợp bệnh nhân không đủ khả năng phối hợp với các bác sĩ thì module được thiết lập để có thể đo được hoàn toàn tự động. Việc thiết lập để module hoạt động ở chế độ nào có thể thực hiện ở thời điểm ra lệnh đo trên máy tính trung tâm. Cảm biến áp suất được dùng cho hệ thống trên là MPX10, đây là sản phẩm của hãng Motorola, được chế tạo dựa trên nguyên lý áp trở theo công nghệ MEMS. Cảm biến có điện áp lối ra tỉ lệ tuyến tính với áp suất lối vào và độ chính xác cao. Hình 5 Đáp ứng Điện áp – áp suất của cảm biến MPX10 Sau đây là sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim : 8 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 9 Tín hiệu áp ấ Cảm biến Tiền khuyếch đại và dịch mức Lọc bỏ thành phần một chiều và nhiễu Khuyếch đại và tạo dạng Lọc và đếm xung ( Vi điều khiển ) Hiển thị kết quả( LCD ) Hình 6 Sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim dùng cảm biến áp suất Cã nhÞp tim Start Cã s−ên lªn cña xung Start bé ®Õm Cã s−ên lªn cña xung tiÕp theo Stop bé ®Õm, tÝnh ra chu kú tÝn hiÖu Sai Sai Sai §óng §óng §óng Hình 7. Lưu đồ thực hiện đo nhịp tim Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Khối tiền khuyếch đại: tín hiệu thu được từ cảm biến trước tiên được đưa vào mạch tiền khuyếch đại. Khối khuyếch đại và dịch mức tín hiệu: tín hiệu lối ra của khối tiền xử lý sẽ được khuếch đại và dịch mức cho phù hợp với lối vào của bộ biến đổi ADC. Bộ lọc thông cao: nhằm loại bỏ nền một chiều của tín hiệu, chỉ cho những tín hiệu biến thiên đi qua. Khối khuyếch đại và tạo dạng: tín hiệu thu được tại lối ra của bộ lọc rất nhỏ nên tiếp đó tín hiệu được đưa qua bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán. Tiếp đó, tín hiệu được đưa qua bộ tạo dạng nhằm vuông hóa, đồng thời loại bỏ được nhiễu,do tác dụng của ngưỡng so sánh nên chỉ có những tín hiệu nhịp đập thật sự mới cho lối ra có tín hiệu. Tín hiệu từ đây được đưa tới bộ đếm để xác định nhịp tim. Lưu đồ của quá trình đo nhịp tim như trên hình 7. Để xác định số lần tim đập trong một phút ta đo chu kỳ của tín hiệu mạch đập. Việc đo chu kỳ của tín hiệu được thực hiện hoàn toàn bằng phần mềm. Để nâng cao độ chính xác của phép đo, phần mềm thực hiện đo chu kỳ trung bình bằng cách tính khoảng thời gian giữa hai xung của một số cặp xung rồi chia trung bình.. Ở vi điều khiển cũng có thể coi là có một bộ lọc bằng phần mềm. Bằng cách phân tích tín hiệu nhịp tim ta thấy rằng nhịp tim thông thường không nhỏ hơn 50 và không quá 200 nhịp một phút. Trên cơ sở đó, bằng phần mềm ta có thể loại ngay những chu kỳ đo được gây ra bởi nhiễu. Việc kết hợp lọc cả bằng phần cứng lẫn phần mềm làm tăng thêm độ chính xác của phép đo. Lưu đồ thục hiện việc xác định nhịp tim được mô tả trên hình 8. Quá trình trên được thực hiện thông qua các ngắt tuy nhiên để thuận tiện cho việc giải thích, lưu đồ thực hiện một lần đo chu kỳ của tín hiệu nhịp tim được chỉ ra như ở hình trên. Chân ngắt của vi điều khiển luôn sẵn sàng chờ tín hiệu nhịp tim tác dụng. Khi có tín hiệu tác dụng vào chân này (cụ thể là khi có sườn lên của xung), bộ định thời sẽ được khởi phát. Xung nhịp tác dụng tới bộ định thời là xung nhịp nội với chu kỳ là 128µs. Tiếp đó vi điều khiển sẽ lại tiếp tục chờ ngắt tiếp theo. Khi có ngắt tiếp theo tác dụng tức là có tín hiệu nhịp tim tiếp theo, vi điều khiển sẽ lập tức dừng bộ định thời, căn cứ vào số đếm ban đầu (bằng 0) và số đếm hiện tại, cùng với chu kỳ của xung nhịp tác dụng (128 µs) có thể dễ dàng tính ra chu kỳ của tín hiệu nhịp tim. Chu kỳ này sẽ được kiểm tra, nếu nằm trong khoảng cho phép thì giá trị này sẽ được lưu lại, nếu không nó sẽ bị huỷ. Việc đo chu kỳ được thực hiện lặp lại một số lần (cụ thể là 10 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 5 lần) rồi các kết quả này được tính trung bình. Từ giá trị trung bình này ta tính ra được nhịp tim của người đo tại lúc đo. 1.1.3.2 Một vài nhận xét về kết quả đo nhịp tim của hệ thống trên Với phương pháp mô tả trên,do có lọc nhiễu bằng cả phần cứng lẫn phần mềm nên độ chính xác của phép đo khá cao. Tuy nhiên vì phương pháp Ocillometric chủ yếu để đo huyết áp nên phải dùng bao khí để chặn nghẽn dòng máu trong động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch đập của tim nhận được sẽ bị sai khác so với bình thường. Sai khác này khá nhỏ nhưng ít nhiều vẫn ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo nhịp tim. Vậy để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất nếu bằng một phương pháp cảm biến nào đó để lấy được tín hiệu đồng bộ với nhịp tim mà không hề ảnh hưởng tới sự lưu thông máu tại nơi cảm biến thì sẽ càng nâng cao độ chính xác cho phép đo. Do đó mục đích của bài khóa luận này là trình bày một phương pháp cảm biến khác với cảm biến áp suất để đo nhịp tim mà không tác động vào sự lưu thông máu. Tiếp theo em xin trình bày về phương pháp hấp thụ quang học để đo nhịp tim. 1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm biến quang học. Phương pháp cảm biến này như sau: Như đã trình bày ở trên khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim giãn ra dồn máu vào trong nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi tim co lại áp suất trong động mạch tăng lên. Chính sự thăng giáng áp suất máu này sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim. Khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, áp suất máu lớn, ánh sáng sau khi truyền qua được động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn. 11 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Hình 9 Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay Th Thời gian Ip Photodiode Iout Độn g mạc Iin Hình 8 Sự truyền ánh sáng qua động mạch Bố trí một Photodiode để nhận ánh sáng sau khi truyền qua động mạch thì ta có thể nhận được tín hiệu điện biến thiên đồng bộ với nhịp đập của tim. Với cách giải thích như trên, để tăng độ chính xác của tín hiệu thì nguồn sáng phải phát ra ánh sáng với cường độ không đổi theo thời gian. 1.2.1 Vị trí đặt cảm biến Sau khi đã có ý tưởng về cảm biến quang học như trên thì có hai câu hỏi được đặt ra là : - Phải đặt nguồn sáng và Photodiode ở đâu để có thể thu được kết quả tốt nhất ?. -Vì động mạch bên trong cơ thể nên ánh sáng không chỉ truyền qua động mạch mà còn truyền qua nhiều thành phần khác của cơ thể, vậy có ảnh hưởng xấu gì đến tín hiệu nhận được ?. Về nguyên tắc có thể đặt nguồn sáng và Photodiode ở bất cứ nơi nào trên cở thể mà có chứa động mạch. Nhiễu của ánh sáng môi trường vào Photodiode có thể coi là không đổi nên phép đo sẽ càng tin cậy nếu như tín hiệu ánh sáng Photodiode nhận được là lớn nhất. Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì sẽ có lợi là áp suất máu trong động mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng phải truyền qua một bề dày lớn của 12 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang cơ thể nên bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương, mà độ nhạy của Photodiode có giới hạn do đó để thu được kết quả mong muốn, cường độ nguồn sáng phải khá lớn, như vậy sẽ hao phí năng lượng và rất khó ổn định được cường độ nguồn sáng. Nếu đặt cảm biến ở vành tai - một nơi mà ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày rất nhỏ của cơ thể, sẽ có lợi là cường độ ánh sáng Photodiode nhận được khá lớn nhưng do động mạch ở đây quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là quá nhỏ so với toàn bộ ánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện nhận được không đủ độ tin cậy. LED Photodiode Hình 10 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến Vị trí đặt nguồn sáng và Photodide hợp lý nhất: đó là đầu các ngón tay. Tuy động mạch ở đây không lớn nhưng quãng đường ánh sáng phải truyền qua lại không nhiều nên chỉ cần dùng một LED để làm nguồn sáng, kết quả mức độ biến thiên cường độ sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỷ số giữa biên độ tín hiệu với nền một chiều đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả được chính xác nhất. Khi ánh sáng truyền qua đầu ngón tay, nó chỉ bị hấp một phần nhỏ bởi động mạch, còn phần lớn bị hấp thụ bởi mô và xương nhưng một điều may mắn là hệ số hấp thụ của mô và xương đối với ánh sáng là hầu như không đổi theo thời gian, nên cường độ ánh sáng Photodiode nhận được sẽ biến thiên theo nhịp tim trên nền một chiều, tín hiệu này được chỉ ra như hình 10, do đó hoàn toàn có thể tin tưởng tính đồng bộ của tín hiệu nhận được với nhịp tim. 13 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 1.2.2 Thiết kế mạch đo Sơ đồ khối của mạch đo này như hình 11. Chức năng của từng khối như sau: • Khối nguồn : Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ đo, có thể là pin hay ắc quy • Mạch ổn dòng : cung cấp một dòng điện có cường độ ổn định để phát sáng LED Hiển thị kết quả Vi điều khiểnSo sánh và tạo dạng Nguồn Lọc thông thấp Photodiode Khuyếch đại Mạch ổn dòng L E • LED : nguồn sáng của hệ đo Hình 11 Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dung cảm biến quang học • Photodiode : là cảm biến quang học, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. • Khuyếch đại : Khuyếch đại tuyến tính tín hiệu biến thiên trên photodiode ra đủ lớn để phân biệt rõ ràng chu kỳ của tín hiệu. • Lọc thông thấp : Photodiode bị ảnh hưởng của nhiễu môi trường, đặc biệt là nhiễu của nguồn sáng đèn trong phòng nên tín hiệu sau khi được khuyếch đại cần phải loại bỏ triệt để nhiễu tần số cao trước khi đưa vào bộ so sánh và tạo dạng. • Vi điều khiển : Xác định chu kỳ tín hiệu rồi hiển thị kết quả ra LCD. 14 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Hình 12 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn dòng cho LED Sơ đồ nguyên lý từng khối: a) Mạch ổn dòng cho LED có sơ đồ nguyên lý như hình 12 : Có thể hiểu mạch này như một mạch khuyếch đại không đảo điện áp hồi tiếp đặt trên chân đảo của KĐTT : V- = Iled* R2 (1) Dòng điện trong mạch sẽ ổn định ngay khi đạt được biểu thức: V- = Vin (2) Dòng ổn định qua Led là: ILed = 2R Vin (3) Do có hồi tiếp âm mạnh nên dòng điện chạy qua Led rất ổn định chỉ phụ thuộc vào Vin ,Vin ổn định ở 5V được lấy ra từ IC ổn áp LM7805. Muốn thay đổi cường độ sáng của Led ta thay đổi giá trị của R2. Trong quá trình làm khóa luận em thấy giá trị R2 = 100Ω phù hợp với mạch đo. Với giá trị này dòng điện qua Led : Iled = 50 mA.. b) LED Led đỏ loại siêu sáng được chọn làm nguồn phát sáng vì loại Led này có hiệu suất phát sáng rất cao. 15 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang c) Photodiode BPW34 được sử dụng vì có các ưu điểm sau: - Diện tích mặt nhận sáng rộng ( 7,5 mm2 ) - Góc mở rộng (± 65o ) - Độ nhạy sáng cao - Đáp ứng nhanh - Điện dung lớp tiếp giáp nhỏ - Độ ổn định cao khi nhiệt độ xung quanh thay đổi Hình 13 Sự phụ thuộc của dòng qua Photodiode BPW34 vào cường độ sáng Hình 14 Sự phụ thuộc của dòng qua Photodiode BPW34 vào nhiệt độ Từ hai hình 13 và 14 ta có thể thấy BPW34 là một photodiode rất “tuyến tính” và rất ổn định, tức là có dòng qua tỷ lệ khá tuyến tính với cường độ ánh sáng và bị ảnh hưởng rất ít bởi nhiệt độ môi trường. Do đó BPW34 còn được ứng dụng khá phổ biến trong thông thoại hồng ngoại và các bộ cảm biến ánh sáng khác nữa… 16 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 17 R3 Up M C1 đến bộ khuyếch đại BPW34 Hình 15 Mạch điện Photodiode d) Mạch Photodiode Hình 15 trình bày sơ đồ biến đổi dòng qua photodiode thành điện áp. Thật vậy: UM = Vcc  Ip*R3 (4) Tụ điện C1 và điện trở lối vào của tầng khuyếch đại có tác dụng như một bộ lọc thông cao, điện dung của tụ C1 = 2,2 uF điện trở lối vào của tầng khuyếch đại cỡ chục Mêgaôm nên tần số cắt của mạch lọc này rất nhỏ, gần như chỉ có tác dụng đối với thành phần một chiều, điều này có nghĩa là tụ điện truyền nguyên vẹn tín hiệu và cách li hoàn toàn được điện áp một chiều giữa Mạch Photodiode và tầng khuyếch đại. Giá trị tín hiệu truyền qua tụ C1 đến tầng khuyếch đại: up = ∆( UM ) up = - ∆(Ip)*R3 (5) Từ phương trình này ta thấy biên độ tín hiệu nhận được tỷ lệ thuận với R3, vậy liệu có thể chọn R3 thật lớn để có được mức tín hiệu lớn ?. Câu trả lời là nếu R3 quá lớn thì dòng qua photodiode quá nhỏ, có thể chỉ cỡ dòng dò của Photodiode – Photodiode sẽ hoạt động trong giải phi tuyến, tín hiệu ra sẽ không chính xác, và ngoài ra độ lớn của R3 còn bị giới hạn bởi điện trở lối vào của tầng khuyếch đại : điện trở R3 có giá trị lớn mà điện trở lối vào của tầng khuyếch đại lại nhỏ thì cũng chẳng có tác dụng gì. Trong quá trình làm thực nghiệm em thấy với giá trị R3 = 330 kΩ thì hiệu quả biến đổi dòng thành điện áp đối với Photodiode BPW34 là tuyến tính và có biên độ lớn nhất. Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Bộ khuyếch đại ở đây cần hệ số khuyếch đại rất lớn, trở kháng lối vào lớn, tạp âm thấp…nên em sử dụng vi mạch LF356. Do nguồn cung cấp chỉ sử dụng nguồn đơn nên để Opamp hoạt động được phải có vị trí đất ảo (Vitual Ground), các lối vào và lối ra phải có các tụ để loại bỏ thành phần một chiều, các tụ này phải có điện dung lớn để có dung kháng nhỏ đối với tần số thấp như tần số nhịp tim. M Hình 16 Sơ đồ mạch khuyếch đại dùng LF356 R2 và R3 tạo thành cầu phân áp chia đôi Vcc tạo ra điểm M có hiệu điện thế Vcc/2 so với đất, hiệu điện thế này được ổn định bởi tụ C2. Hệ số khuyếch đạt của mạch này N = R4 / R5 (6) N = 1000 Do có hệ số khuếch đại lớn nên trước khi đến tầng lọc thông thấp, tín hiệu cũng đã được lọc trước ở đây do tác dụng của tụ C4 mắc song song với điện trở hồi tiếp của tầng khuyếch đại không đảo này, tụ C4 có điện dung 500 pF nên chỉ lọc được các tần số khá cao ( cỡ kHz ) nên nhiễu chính 50Hz vẫn chưa lọc được. 18 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Hình 17 Mạch lọc thông thấp Tín hiệu sau khi được khuyếch đại và lọc bỏ nhiễu cao tần sẽ qua tụ C1 đến tầng lọc thông thấp. e) Mạch lọc thông thấp Hình 17 là sơ đồ nguyên lý của một mạch lọc tích cực sử dụng Opamp HA17741. tần số cắt của mạch được tình theo công thức: fc = 21212 1 CCRRπ (7) Với các giá trị như trên hình 17 thì tần số cắt của mạch là 1Hz, sẽ cho tần số của tín hiệu nhịp tim đi qua nhưng sẽ cắt toàn bộ nhiễu tần số cao, đặc biệt là nhiễu từ môi trường 50Hz. Với một hệ thống mạch điện như đã trình bày, tín hiệu từ Photodiode được khuyếch đại lên 1000 lần sau đó qua mạch lọc thông thấp, tín hiệu ở đầu ra mạch lọc có biên độ khoảng 1,2V. Với biên độ này có thể đưa trực tiếp vào mạch tạo dạng tín hiệu để tạo ra xung vuông có tần số bằng tần số tín hiệu mà không hề mắc phải một sai số nào. 19 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Hình 18 Mạch so sánh và tạo dạng tín hiệu dùng LM311 f) Mạch so sánh và tạo dạng tín hiệu: Nhiệm vụ của mạch là so sánh để xác định đúng chu kỳ của nhịp tim Biến trở VR3 dùng để xác định ngưỡng so sánh, khi giá trị lối vào mạch so sánh lớn hơn giá trị ngưỡng thì đầu ra ở mức cao, khi giá trị lối vào nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì đầu ra ở mức thấp. Tụ điện C1 có tác dụng ổn định giá trị ngưỡng . R1,R2 là các điện trở đưa tín hiệu vào các chân không đảo và đảo của LM311, điện trở R4 với R1 cùng LM311 tạo thành một mạch Triger để giữ giá trị đầu ra thêm ổn định. Mạch so sánh giao tiếp trực tiếp với Vi điều khiển nên giá trị đầu ra của nó phải là các giá trị TLL. LM311 có lối ra Collector hở nên chỉ cần treo 1 điện trở từ lối ra ( Chân 7 ) lên 5V và chân quy chiếu mức thấp ( Chân 1 ) xuống đất – 0V là mạch so sánh này có thể giao tiếp được với Vi điều khiển. g) Vi điều khiển Vi điều khiển là bộ não của một hệ thống điều khiển và đo đạc. Vi điều khiển có nhiệm vụ điều khiển, phối hợp hoạt động của toàn bộ hệ thống, đảm bảo hệ thống làm việc chính xác, hiệu quả. Do vậy việc lựa chọn vi điều khiển nào để làm bộ điều khiển trung tâm là rất quan trọng. Tuỳ thuộc vào mục đích điều khiển mà ta có thể lựa chọn loại có tốc độ cao, loại tiêu thụ ít năng lượng hay loại có chức năng chuyên 20 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang biệt… Hiện nay trong các hệ thống đo lường và điều khiển, họ 8051 của ATMEL được dùng khá phổ biến với các ưu điểm như kinh tế, tiện dụng… Tuy nhiên với ứng dụng cụ thể trong đề tài yêu cầu đặt ra là phải xây dựng hệ đo từ xa, vấn đề tiểu hình hoá hệ đo rất được quan tâm. Mặt khác, với các thiết bị không dây, vấn đề năng lượng cũng cần được quan tâm. Việc tăng số lượng các linh kiện đồng nghĩa với việc mạch sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Giải pháp đưa ra là sử dụng một vi điều khiển có sẵn bộ biến đổi tương tự số bên trong chip. Vi điều khiển AVR AT90S8535 của hãng ATMEL đã đáp ứng được các yêu cầu trên. Ngoài ra 8535 còn có một số đặc tính sau: ∗ Một số đặc tính của vi điều khiển AT90S8535 1. Cấu trúc tập lệnh thu gọn RISC có thể thực hiện được 8 triệu lệnh một giây với tần số thạch anh 8MHz. 2. Có 8 Kbyte bộ nhớ chương trình kiểu In-System Programmable Flash. 3. Có 512 byte EEPROM. 4. Có 512 byte SRAM nội. 5. Có 32 đường vào ra có thể cấu hình riêng rẽ là lối vào hay ra. 6. Có cổng thu phát không đồng bộ vạn năng UART lập trình được 7. Có 8 đường ADC 10 bit, với thời gian biến đổi có thể lập trình. 8. Có bộ so sánh với lối vào tương tự. 9. Có 2 bộ đếm/định thời 8 bit. 10. Có 1 bộ đếm/định thời 16 bit có thể hoạt động ở chế độ điều chế độ rộng xung. 11. Có bộ WatchDog timer lập trình được. 12. Có cơ chế xử lý ngắt với nhiều nguồn ngắt. 13. Có nhiều chế độ hoạt động: chế độ nghỉ (idle), chế độ tiết kiệm năng lượng (power save), và chế độ powerDown (lúc này dòng tiêu thụ chỉ nhỏ hơn 1µA). 14. Nguồn cung cấp trong dải 4-6V …. Sơ đồ khối cấu trúc của vi điều khiển AVR AT90S8535 21 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Sơ đồ khối cấu trúc của AVR AT90S8535 được chỉ ra ở hình 19 Hình 19 Sơ đồ khối cấu trúc của AVR AT90S8535 Khối hiển thị có chức năng hiển thị kết qua đo được, như vậy hiển thị làm sao cho người sử dụng thuận tiện. Với 1 modul LCD sẽ thỏa mãn yêu cầu trên, modul được sử dụng trong khóa luận này là : HD44780 Based LCD, 16X2 Characters Đây là một sản phẩm của hãng Hitachi. 22 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Như vậy ta đã nói qua chức năng và sơ đồ nguyên lý cấu tạo của từng khối trong hình vẽ 11. Hình 20 là sơ đồ phần cảm biến quang học hoàn chỉnh từ Led phát đến tầng so sánh đưa ra tần số nhịp tim dưới các mức TTL. Toàn bộ quá trình đo nhịp tim như sau: Đầu tiên photodiode nhận được ánh sáng có cường độ thay đổi theo xung của nhịp tim, dòng qua Photodiode sẽ thay đổi làm điện áp trên điểm A thay đổi, có thể biểu diễn điện áp tại điểm A theo công thức sau: UA = Uconst + uA (8) Trong đó : Uconst là điện áp một chiều không đổi uA là tín hiệu xoay chiều có tần số bằng tần số nhịp tim Thành phần Uconst không đi qua được tụ C, uA qua tụ C đến tầng khuyếch đại.Tại tầng khuyếch đại uA được khuyếch đại lên 1000 lần, đương nhiên tín hiệu nhiễu cũng lớn lên theo. Để loại bỏ nhiễu tín hiệu được đưa qua tầng lọc thông thấp, đây là tầng lọc tích cực sử dụng Opamp tần số cắt fc = 1Hz, có tác dụng lọc rất tốt loại bỏ phần lớn tín hiệu nhiễu 50Hz từ các nguồn sáng của môi trường. Sau khi lọc tín hiệu có biên độ cỡ 1,5V và khá trơn tru không còn những đoạn xung nhọn do nhiễu gây ra nữa. Sau bộ lọc tín hiệu được đưa vào bộ so sánh và tạo dạng, khi tín hiệu vào bộ so sánh lớn hơn ngưỡng thì sẽ có biên độ đầu ra sẽ là 5V, khi tín hiệu lối vào nhỏ hơn ngưỡng đầu ra là 0V.Việc chỉnh ngưỡng rất quan trọng bởi vì : nếu ngưỡng nhỏ quá có thể bộ đếm sẽ đếm thừa do đếm cả những xung nhiễu có biên độ lớn hơn ngưỡng, nếu ngưỡng lớn quá xung ra sẽ hẹp và có thể mất xung. Cuối cùng những xung vuông này sẽ được đưa vào vi điều khiển để đếm và hiển thị kết quả ra LCD. Khi đã có xung việc xác định nhip tim có thể thực hiện theo cách đã trình bày ở phần trước : đo chu kỳ của tín hiệu mạch đập. Việc đo chu kỳ của tín hiệu được thực hiện 23 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 24 Cã nhÞp tim Start Cã s−ên lªn cña xung Start bé ®Õm Cã s−ên lªn cña xung tiÕp theo Stop bé ®Õm, tÝnh ra chu kú tÝn hiÖu Sai Sai Sai §óng §óng §óng Hình 00 Lưu đồ thực hiện đo nhịp tim hoàn toàn bằng phần mềm. Để năng cao độ chính xác của phép đo, phần mềm thực hiện đo chu kỳ trung bình bằng cách tính khoảng thời gian giữa hai xung của một số cặp xung rồi chia trung bình. Ta có thể thêm một tầng lọc nữa ở trong vi điều khiển bằng cách phân tích tín hiệu nhịp tim ta thấy rằng nhịp tim thông thường không nhỏ hơn 50 và không quá 200 nhịp một phút. Trên cơ sở đó, bằng phần mềm ta có thể loại ngay những chu kỳ đo được gây ra bởi nhiễu. Việc kết hợp lọc cả bằng phần cứng lẫn phần mềm làm tăng thêm độ chính xác của phép đo. Lưu đồ thục hiện việc xác định nhịp tim có thể được mô tả ở hình 20. Quá trình trên được thực hiện thông qua các ngắt tuy nhiên ở đây để thuận tiện cho việc giải thích, lưu đồ thực hiện một lần đo chu Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang kỳ của tín hiệu nhịp tim được chỉ ra như ở hình trên. Chân ngắt của vi điều khiển luôn sẵn sàng chờ tín hiệu nhịp tim tác dụng. Khi có tín hiệu tác dụng vào chân này (cụ thể là khi có sườn lên của xung), bộ định thời sẽ được khởi phát. Xung nhịp tác dụng tới bộ định thời là xung nhịp nội với chu kỳ là 128µs. Tiếp đó vi điều khiển sẽ lại tiếp tục chờ ngắt tiếp theo. Khi có ngắt tiếp theo tác dụng tức là có tín hiệu nhịp tim tiếp theo, vi điều khiển sẽ lập tức dừng bộ định thời, căn cứ vào số đếm ban đầu (bằng 0) và số đếm hiện tại, cùng với chu kỳ của xung nhịp tác dụng (128 µs) có thể dễ dàng tính ra chu kỳ của tín hiệu nhịp tim. Chu kỳ này sẽ được kiểm tra, nếu nằm trong khoảng cho phép thì giá trị này sẽ được lưu lại, nếu không nó sẽ bị huỷ. Việc đo chu kỳ được thực hiện lặp lại một số lần (cụ thể là 5 lần) rồi các kết quả này được tính trung bình. Từ giá trị trung bình này ta tính ra được nhịp tim của người đo tại lúc đo. 1.2.3 Kết quả và đánh giá Với phương pháp mô tả trên do lọc nhiễu bằng cả phần cứng lẫn phần mềm nên nếu người đo tuân thủ các quy định đo thì độ chính xác của phép đo khá cao. Chu kỳ xung nhịp cấp cho bộ đếm là 128µs nên chu kỳ tín hiệu nhịp tim đo được sẽ có một sai số là ±128µs. Bình thừơng chu kỳ tín hiệu đo được cỡ 0,02s (50 nhịp một phút) đến 0,007s (150 nhịp một phút), tức là sai số từ 0,64% - 2%. Với phương pháp hấp thụ quang học để đo nhịp tim, ta không mắc phải sai số do phương pháp đo, sai số chỉ còn là sai số hệ thống. Nếu đếm số xung vào vi điều khiển trong một phút ta sẽ biết chính xác nhịp tim của người đo. Sai số của kết quả chỉ là một nhịp trên một phép đo 25 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ BÃO HOÀ CỦA OXI TRONG MÁU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ QUANG HỌC 1.3 Mở đầu 1.3.1 Sự cần thiết của Oxi trong máu Oxi là một nguyên tố rất cần cho sự sống, có thể nói nếu thiếu Oxi thì mọi sinh vật không thể tồn tại được trên trái đất này. Đối với cơ thể người Oxi cần cho quá trình hô hấp, cần cho các quá trình Oxi hóa xảy ra bên trong cơ thể. Một chức năng quan trọng của Máu đối với cơ thể là chức năng vận chuyển: Máu là con đường vận chuyển của các chất dinh dưỡng sau quá trình tiêu hóa ở nhung mao ruột, của khí O2 từ phổi đến các mô, khí CO2 từ các mô đến phổi… 1.3.2 Sự vận chuyển khí O2 của máu Khí O2 được vận chuyển theo máu thông qua hai dạng hòa tan và kết hợp với haemoglobin ( haemoglobin là một Protein được kết lại trong hồng cầu ). Dạng hòa tan : Khả năng hòa tan của Oxi trong máu rất nhỏ so với lượng Oxi vận chuyển ở dạng kết hợp cung cấp cho mô. Dạng kết hợp : Oxi được vận chuyển trong máu ở dạng kết hợp là kết quả của một loạt phản ứng thuận nghịch xảy ra giữa Oxi và haemoglobin (Hb) để tạo thành Oxyhaemoglobin (HbO2). Sự kết hợp giữa O2 và Hb tỉ lệ thuận với phân áp của O2 trong máu. Khi phân áp Oxi tăng dần từ 0 – 100mmHg, tỷ lệ % hòa tan HbO2 cũng tăng dần tới 97%. Ngược lại, khi phân áp Oxi giảm từ 100 – 0 mmHg thì tỷ lệ % bão hòa của HbO2 cũng giảm dần theo thứ tự đó. Từ những khái niệm này người ta có thể đưa ra vài phương pháp đo nồng độ bão hòa của Oxi trong máu. 1.4 Một số khái niệm 1.4.1 Nồng độ bão hòa của Oxi trong máu Do khí O2 vận chuyển dưới dạng hòa tan rất nhỏ so với dạng kết hợp nên nồng độ bão hòa của Oxi trong máu chủ yếu được xác định bởi tỷ lệ % hòa tan của HbO2. 26 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 1.4.2 Tại sao cần phải xác định nồng độ bão hòa của Oxi trong máu. Khi cơ thể hoạt động sẽ tiêu tốn năng lượng và cơ thể sẽ đòi hỏi thường xuyên được cung cấp năng lượng qua sự Oxi hóa các chất dinh dưỡng, quá trình này xảy ra chủ yếu ở mô tế bào. Nếu trong máu thiếu Oxi thì các phản ứng Oxi hóa sẽ chậm đi và không đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cư thể, ngoài ra thiếu Oxi sẽ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của cơ thể, cơ thể sẽ khó đào thải các chất độc ra ngoài… Do đó đối với người bệnh và ngay cả đối với người bình thường thì việc xác định nhanh chóng và chính xác thông số nồng độ bão hòa của Oxi trong máu là hết sức cần thiết. 1.5 Các phương pháp đo nồng độ Oxi trong máu Nói chung có nhiều phương pháp đo nồng độ Oxi trong máu, các phương pháp phổ biến được nêu ra dưới đây: -Phương pháp dùng điện cực Oxy -Phương pháp cộng hưởng điện tử từ tính -Phương pháp -Phương pháp chụp tia pozitron -Phương pháp Pulse Oximetry Phương pháp “ Pulse Oximetry ” là phương pháp đo dựa vào xung nhịp tim, phương pháp này có các ưu điểm sau: ™ Biết kết quả ngay ™ Chỉ cần một thao tác đo ™ Cách thức đo rất đơn giản và không hề xâm phạm vào cơ thể ™ Độ tin cậy cao Do đó nội dung của bài luận văn sẽ đề cập đến phương pháp đo này. 1.6 Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu. Vào năm 1860 người ta phát hiện ra rằng haemoglobin là chất mang màu sắc nó có trong hồng cầu và ảnh hưởng đến màu sắc của máu, sự hấp thụ ánh sáng nhìn thấy bởi haemoglobin sẽ thay đổi với hàm lượng Oxi trong nó. 27 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Figure 21 Quang phổ hấp thụ của HbO2 và Hb Bởi vì hai dạng chủ yếu của haemoglobin có trong máu mà ảnh hưởng nhiều nhất đối với ánh sáng là Oxyhaemoglobin (HbO2) và Reducedoxyhaemoglobin (Hb), HbO2 và Hb có quang phổ hấp thụ khác nhau với các bước sóng ánh sáng khác nhau. Về phương diện hoá học O2 kết hợp với Haemoglobin bên trong hồng cầu tạo nên gần như tất cả Oxi trong máu ( chỉ có một phần rất nhỏ nằm trong các thành phần khác của máu ). Mức độ bão hòa của Oxi trong máu thường được quy về SaO2 hoặc SpO2 và được định nghĩa là tỷ số của oxyhaemoglobin và tổng số haemoglobin trong máu (oxyhaemoglobin + Reducedoxyhaemoglobin ) : SaO2 = ]2[ ]2[ HbHbO HbO + (9) Nồng độ bão hòa của Oxi của máu trong động mạch là một thông số được đo với Oximetry và thường được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ phần trăm (%). Dưới điều kiện sinh học bình thường máu trong động mạch có độ bão hòa khoảng 97%, trong khi đó máu trong tĩnh mạch chỉ có độ bão hòa khoảng 75%. Nhìn hình 21 ta có thể thấy rằng với hai bước sóng: Một là tia đỏ bước sóng λ khoảng 660 nm, hai là tia hồng ngoại bước sóng λ khoảng 940 nm thì hệ số hấp thụ của Hb và HbO2 đối với hai bước sóng này sẽ khác nhau nhiều nhất. Hb hấp thụ nhiều tia đỏ và hấp thụ ít tia hồng ngoại, 28 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang ngược lại HbO2 hấp thụ ít tia đỏ và hấp thụ nhiều tia hồng ngoại. Do đó hệ số hấp thụ của máu đối với hai bước sóng cũng sẽ sai khác nhau nhiều nhất và mức độ sai khác phụ thuộc vào nồng độ bão hoà của Oxi trong máu. Như vậy khi chiếu hai tia đỏ và hồng ngoại qua vùng cơ thể có chứa động mạch, dựa vào cường độ của các tia nhận lại có thể xác định được nồng độ bão hoà của oxy trong máu (SaO2). Về mặt vật lý mô hình quá trình truyền sáng này như sau: Động mạch Hình 22 Mô hình vật lý của quá trình truyền sáng qua động mạch L Iin I Có thể cho rằng ánh sáng truyền qua động mạch chỉ chịu sự ảnh hưởng của nồng độ HbO2 và Hb trong máu. Theo định luật Beer – Lambert : Cường độ ánh sáng truyền qua sẽ giảm tỷ lệ theo hàm mũ của 10 với bề dày L của động mạch Trên hình 22 : Động mạch có bề dày L Tia tới có cường độ Iin Sau khi truyền qua còn I Với bước sóng λ1 : I1 = Iin1*10 – ( α 01 + α r1 ) Với bước sóng λ2 : I2 = Iin210 – ( α 02 + α r2 ) (10) Trong đó : C0 là độ tập trung của Oxyhaemoglobin ( HbO2 ) Cr là độ tập trung của Reducedhaemoglobin ( Hb ) αon là hệ số hấp thụ của HbO2 với bước sóng λn αrn là hệ số hấp thụ của Hb với bước sóng λn Nếu định nghĩa: R = )1/1(10log )1/1(10log IinI IinI (11) 29 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Thì có thể đơn giản đưa ra : SaO2 = CrCo Co + = )11()22( 1*2 oror rRr αααα αα −−− − (12) 1.7 Nguyên lý của Pulse Oximetry Từ nguyên lý của Oximetry ta có thể đo SaO2 trong động mạch theo cách sau: Với phương pháp này 2 tia đỏ và hồng ngoại đặt sát trên đầu ngón tay người bệnh, các tia sáng truyền qua đầu ngón tay được một Photodiode bên dưới thu nhận. Với hai tín hiệu của tia đỏ và hồng ngoại nhận được ta hoàn toàn tính được nồng độ bão hòa của Oxi trong động mạch. Red InfraRed Photodiode Hình 20 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến 30 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Cường độ ánh sáng Photodiode nhận được có dạng như hình 24. Tín hiệu này biến thiên theo thời gian đồng bộ với nhịp tim. Có thể chia mỗi tín hiệu thành 2 phần : Hình 20 Đồ thị sự hấp thụ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch ¾ Thành phần 1 chiều DC : Idc ¾ Thành phần xoay chiều, biến đổi đồng bộ với nhịp tim AC : Iac Ánh sáng truyền qua ngón tay chịu sự hấp thụ của : A – Máu trong động mạch V – Máu trong tĩnh mạch T – Xương, da, mô … Do sự hấp thụ của máu trong tĩnh mạch, xương, da và mô là không đổi, chỉ có sự hấp thụ của máu trong động mạch là thay đổi nên ta có thể tách bỏ phần tín hiệu không đổi, giữ lại thành phần biến đổi, thành phần này mới mang thông tin. 31 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 32 a) b) Hình 20 Sự thay đổi cường độ sáng khi truyền qua ngón tay. a. Đối với tia sáng đỏ b. Đối với tia hồng ngoại Hình vẽ này thể khẳng định lại một lần nữa rằng sự hấp thụ của máu động mạch với 2 tia đỏ và hồng ngoại là khác nhau. Rõ ràng có thể cho rằng sự thay đổi mức độ hấp thụ ánh khi tim đập chỉ bởi dòng máu chuyển động trong động mạch. Bởi vì khi tim co bóp, máu được dồn nén mạnh với tần số đúng bằng tần số của tim, do tác động này của tim mức độ tập trung của HbO2 và Hb cũng thay đổi theo, do đó độ hấp thụ ánh sáng của máu thay đổi và cường độ ánh sáng sau khi truyền qua cũng thay đổi. Mức độ hấp thụ của tĩnh mạch, mô và xương hầu như không thay đổi theo nhịp tim. Chúng ta có thể xác định nồng độ bão hòa của Oxi trong máu bằng cách loại bỏ thành phần 1 chiều của tín hiệu từ toàn bộ tín hiệu nhận được. Kết quả chỉ còn lại tín hiệu xoay chiều biến thiên đồng bộ theo nhịp tim (Cardiac – Synchronous Pulsatile). Phương trình tổng quát để tính giá trị R: (13) Hình 25a và 25 chiều đồng bộ với nhịp tim khi tia sang đỏ và hồng ngoại chiếu qua ngón tay hay một phần nào khác của cơ thể có chứa động mạch. Ở hình 25b ta thấy có thêm một cực đại phụ trong mỗi nhịp tim, hiện tượng này khá phổ biến và là vấn đề cần phải giải quyết trong khâu xử lý tín hiệu. b đưa ra các tín hiệu xoay Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 33 1.8 Tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu Trên thực tế, người ta không tính R theo phương trình (13) rồi thay vào phương trình (12) để tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu (SaO2), nhiều thí nghiệm trên thế giới đã chứng tỏ phương pháp trên không còn chính xác khi SaO2 < 85%. Thực nghiệm đã tìm ra được cách tính SaO2 như sau: Cho 2 nguồn phát với cùng cường độ sáng: Iin1 = Iin2, Tính R một cách đơn giản theo công thức: R = 2 1 I I (14) Với I1 là cường độ nhận được đối với tia đỏ I2 là cường độ nhận được đối với tia hồng ngoại Từ đây tính SaO2 theo công thức: S = 110 – 25*R (15) Các công thức (14), (15) khá đơn giản nhưng đây là các công thức tính được rút ra từ thực nghiệm và đã được nhiều hãng chế tạo Oximeter sử dụng. Hình 26 so sánh các kết quả tính R và S theo hai cách tính nêu trên: Sự khác biệt giữa đường lý thuyết Beer – Lambert và đường thực nghiệm khi S>85% là nhỏ, nhưng với S<85% thì sự sai khác này đáng kể do đó xác định S theo công thức (12) không còn chính xác. Hình 20 Sự phụ thuộc của S vào R theo lý thuyết và thực nghiệm Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 1.8.1 Sơ đồ khối và chức năng Ta phải thiết kế một mạch điện để tính SaO2 theo hai phương trình 14 và 15. Việc tính R bằng tỷ số R = I1/I2 có thể thay bằng tỷ số U1/U2 , với U1 và U2 là hai điện áp được biến đổi từ I1 và I2 với cùng một hệ số nhân. Sơ đồ khối của một Pulse Oximeter điển hình như hình 27: Hai nguồn sáng là Led đỏ (bước sóng 660 nm), và Led hồng ngoại (bước sóng 940 nm) được ổn định cường độ sáng bằng 2 nguồn dòng (Constant current Source). Nồng độ bão hòa của Oxi trong máu là một hàm số của các cường độ sáng nhận được khi truyền qua ngón tay nên kết quả của phép đo sẽ chính xác nhất khi sử dụng một Detecter duy nhất. Do đó dùng bộ Timing Circuit để điều khiển 2 Led phát sáng sao cho tại một thời điểm đo nhất định chỉ có 1 Led phát (Led kia nghỉ) và Photodiode nhận được ánh sáng của Led đó, dòng qua Photodiode sẽ thay đổi theo nhịp tim, dòng này được biến đổi tuyến tính thành điện áp nên có tín hiệu điện thay đổi theo nhịp tim, do có nhiễu từ môi trường vào Photodiode nên một bộ lọc Bandpass được sử dụng để loại bỏ nhiễu, các tần số cắt của bộ lọc sẽ loại bỏ gần hết nhiễu cao tần mà vẫn không ảnh hưởng đến xung nhịp tim nhận được, sau bộ lọc tín hiệu khá nhỏ nên phải khuyếch đại lên đủ lớn để có thể giao tiếp tốt với bộ Sample anh Hold. 34 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 35 Red Infrared CCCS Timing Circuit Red Inf raRed Photodiode C-V Sample and hold Sample and hold BPF BPF Amplifier Amplifier ADC uP Display RAM Hình 20 Sơ đồ khối một Pulse Oximeter điển hình Bộ Sample and hold và ADC có tác dụng biến giá trị tín hiệu đo được thành dạng số để có thể gửi kết quả cho vi điều khiển xử lý. Sau khi 2 led sáng vi điều khiển sẽ nhận được hai giá trị số và có thể xử lý để tính S theo công thức 15 rồi hiển thị kết quả ra màn hình LCD. 1.8.2 Sơ đồ nguyên lý hệ đo Khối ổn dòng cho Led đã được trình bày ở phần 1 (Hình 12) Iled = Uin/R2 Photodiode được sử dụng vẫn là BPW34 vì những thông số rất tốt đã nêu ra của nó. Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 36 Ip Ura=Ip*R3 Hình 20 Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi dòng thành thế Khối biến đổi dòng thành thế so với phần 1có một chút khác biệt ở đây, sơ đồ như hình sau: Khuyếch đại thuật toán có nhiệm vụ biến đổi dòng qua Photodiode thành điện áp, VR1 để dịch mức tín hiệu ra cho phù hợp với tầng sau. Ura = U+ + Ip*R3 Điện trở R3 rất lớn (hàng chục MΩ) nên yêu cầu Opamp có điện trở lối vào lớn, tạp âm thấp, LM358 là một Opamp thỏa mãn điều kiện đó, đặc biệt nó có thể làm việc tốt với nguồn cung cấp đơn 5V. Còn các khối tiếp theo (Lọc, khuếch đại, ADC, Vi điều khiển), nếu thiết kế đầy đủ bằng linh kiện rời thì mạch sẽ khá cồng kềnh. Gần đây trên thị trường mới xuất hiện họ vi điều khiển Psoc, ngoài chức năng xử lý như các họ vi điều khiển khác, trong Psoc còn tích hợp các Module tương tự có thể sử dụng được trong hệ thống này của chúng ta như các module: Lọc, khuyếch đại, ADC…. Trong khóa luận này em sử dụng Psoc có ký hiệu CY8C27443 2.2.3. Giới thiệu chung về các đặc tính của vi điều khiển PSOC PSOC: Programable System – On – Chip là sự tích hợp của một vi điều khiển (nhân) và các mô đun xử lí tín hiệu khác. Chính sự tích hợp thêm các mô đun xử lý tín Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang hiệu cho phép thay thế các mạch ngoại vi là ưu điểm nổi bật nhất của vi điều khiển PSOC so với các họ vi điều khiển khác vì với các ứng dụng trên PSOC người thiết kế chỉ cần làm việc trên môi trường phát triển, không mất thời gian vào việc thiết kế và thử nghiệm các mạch ngoại vi hơn nữa mạch ứng dụng đơn giản gọn nhẹ đi rất nhiều. Các mô đun xử lý tín hiệu thông dụng được chia làm hai loại đó là các mô đun số và các mô đun tương tự. Các mô đun được tích hợp trên vi điều khiển PSOC là: Bộ khuyếch đại tín hiệu tương tự lập trình được (Programable Gain Amplifier: PGA), các bộ biên đổi số tương tự, tương tự số 14 bit, các bộ lọc (filter), bộ so sánh, định thời, điều chế độ rộng xung (PWM)… Có thể mô tả vi điều khiển PSOC như hình 29 Hình 21 Các mô đun trên vi điều khiển PSOC Dưới đây là một số đặc tính của vi xử lý trung tâm. • Là vi xử lý M8C tốc độ xung nhịp 24MHz, có thể hoạt động ở chế độ 48MHz và các chế độ với tốc độ thấp hơn như: 12MHz, 6Mhz… • Cho phép thực hiện phép nhân 8x8 và thanh ghi tích lũy ACC là 32 bits. • Giải điện thế hoạt động từ 3V đến 5V. 37 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang • Có chế độ Switch Mode Pump ( SMP) là chế độ cho phép điện thế hoạt động có thể xuống tới 1V. • 12 mô đun tương tự và 8 mô đun số. • 16Kb flash bộ nhớ chương trình. • 256 bytes SRAM. • Có chế độ In – System Serial Programming cho phép đổ thẳng chương trình từ máy tính xuống chíp mà không cần tháo chíp ra khỏi mạch ứng dụng. • Dòng ra 25mA (40mA đối với các khối tương tự). • Chế độ Dynamic Re-Configuration cho phép cấu hình các mô đun bên trong PSOC chạy ở các cấu hình khác nhau tại các thời điểm khác nhau bên trong PSOC. • Vi điều khiển PSOC có thể chia ra làm 3 phần (hình 30 chỉ ra các khối trong PSOC): • Nhân PSOC (PSOC core): đây là trung tâm của vi điều khiển PSOC, bao gồm bộ vi xử lý M8C, bộ tạo dao động… • Các mô đun số và tương tự: bao gồm các mô đun tương tự và mô đun số được kết nối với nhau và kết nối với các chân thông qua hệ thống bus như được chỉ ra như trên hình 31. • Tài nguyên chung toàn hệ thống: Bao gồm các bộ chia tần để tạo ra các tần số khác nhau từ bộ tạo dao động 24MHz 38 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang • Hình 30 Sơ đồ khối của vi điều khiển PSOC. Hình 31 Kết nối các mô đun trong PSOC Các mô đun trong PSOC được kết nối với nhau và kết nối với bên ngoài qua các chân thông qua hệ thống bus nội bên trong PSOC. Việc kết nối, cấu hình các khối bên trong là do người thiết kế làm trực tiếp trên môi trường phát triển. Với vi điều khiển PSOC 39 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang có thể cấu hình các chân vào ra một cách phù hợp dựa vào các bộ hợp kênh lối vào và các bộ phân kênh lối ra do đó việc kết nối các chân PSOC với các mạch ngoại vi bên ngoài có thể cấu hình một cách mềm dẻo vì vậy công đoạn thiết kế mạch đơn giản đi rất nhiều. Hình 32 Chỉ ra các khối hợp kênh lối vào và phân kênh lối ra. Hình 32 Bộ hợp kênh lối vào và bộ phân kênh lối ra Môi trường phát triển ứng dụng là “Psoc Designer” do nhà sản suất cung cấp. Trên môi trường phát triển có cung cấp sẵn các cơ sở dữ liệu cho ứng dụng, các công cụ để cấu hình các mô đun và trình dịch để dịch chương trình ứng dụng ra mã máy (chương trình có thể được viết bằng ngôn ngữ C hoặc Assembler). Môi trường phát triển và các cơ sở dữ liệu liên quan được chỉ ra như trên hình 33. Hình 33 Môi trường phát triển PSOC Designer Để xây dựng một project trên PSOC phải tiến hành các bước như sau: Lựa chọn các mô đun cần sử dụng và cấu hình các mô đun đó: bước này bao gồm việc lựa chọn các mô đun cần thiết cho ứng dụng, cấu hình các tham số phù hợp cho các mô đun đó và kết nối các mô đun với tài nguyên chung của toàn bộ hệ thống, với các mô đun khác và với ngoại vi thông qua các chân của PSOC. Ví dụ khi cần sử dụng 40 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang một bộ khuyếch đại tương tự ta chọn khối khuyếch đại lập trình được PGA (Programable Gain Amplifier) chọn hệ số khuyếch đại, chọn tín hiệu vào và chân ra. Lập trình điều khiển các mô đun thông qua các thanh ghi tương ứng với các mô đun, chương trình được viết trên ngôn ngữ lập trình C hoặc Assembler. Việc lập trình trên PSOC rất đơn giản vì nhà sản xuất đã cung cấp sẵn các hàm API (Application Programming Interface). Bước cuối cùng là Debug chương trình và nạp chương trình lên PSOC. 1.8.3 Sơ đồ khối Pulse Oximeter sử dụng Psoc. CC S: Constant Current Source Hình 34 Sơ đồ Pulse Oximeter sử dụng PSoc 41 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang KẾT LUẬN Sau quá trình học tập và nghiên cứu dưới sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong khoa, em đã hoàn thành được khoá luận tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học”. Một số kết quả thu được có thể kể tới: Nghiên cứu, tìm hiểu việc đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học Nghiên cứu ứng dụng cảm biến quang học BPW34 Tìm hiểu vi điều khiển AVR AT90S8535 Trên cơ sở đó thiết kế và xây dụng thành công một thiết bị có khả năng đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học với độ chính xác cao. Nghiên cứu khả năng đo nồng độ oxi trong máu bằng phương pháp hấp thụ quang học Tìm hiểu vi điều khiển PSoC Tuy nhiên do thời gian có hạn nên công việc mới chỉ dừng lại ở mức tìm hiểu nguyên lý và xây dựng mạch nguyên lý đo nồng độ oxi trong máu. Trong thời gian tới mạch sẽ được thử nghiệm để đánh giá kết quả. Hy vọng rằng thiết bị sớm được hoàn thiện để có thể tích hợp trong hệ thống đo nhiều thông số bệnh nhân. 42 Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Chu Thị Phương Dung, Bùi Thanh Tùng, “Úng dụng cảm biến MEMS xây dựng hệ đo huyết áp, nhịp tim và nhiệt độ bệnh nhân từ xa”, công trình dự thi giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học, 2004. [2] Phạm Quốc Phô(chủ biên), Nguyễn Đức Chiến..,”Giáo trình cảm biến”, NXB KHKT 2001. [3]Trần Quang Vinh, “Nguyên lý phần cứng và kỹ thuật ghép nối máy vi tinh”, NXB Giáo Dục, 2002. [4] Ngô Diên Tập, “Vi điều khiển AVR”, NXB KHKT 2003. [5] Phạm Minh Hà, “Nguyên lý kỹ thuật điện tử”, NXB KHKT 1997. [6] Joseph J. Carr, “Sensor and Circuits”. PTR Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jerse 1993. [7] Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook CRCnetBASE 1999 CD- ROM. 43